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剖析聲音定位原理,聲源定位

雙耳聽(tīng)覺(jué)聲源定位是聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)對(duì)發(fā)聲物體位置的判斷過(guò)程,它包括水平聲源定位和垂直聲源定位以及與以及與聽(tīng)者距離的識(shí)別 。人類(lèi)擁有聲源定位能力的機(jī)制是聲音傳到雙耳的時(shí)間,相位和強(qiáng)度的差異,每個(gè)人的聲源定位能力不一樣的,雙耳聽(tīng)覺(jué)平衡的好壞是這一能力的決定性因素之一,就如同單眼觀察一個(gè)物體時(shí)無(wú)法判斷物體的遠(yuǎn)近一樣,單耳聽(tīng)覺(jué)同樣沒(méi)有辦法確切判斷聲源的位置 。
什么設(shè)備可以進(jìn)行聲源定位?

剖析聲音定位原理,聲源定位


感謝邀請(qǐng)!在回答這個(gè)問(wèn)題之前,我們首先需要搞清楚,聲源定位的原理是什么?實(shí)際上聲源定位的方法眾多,下文提到的聲源定位僅指通過(guò)陣列波束形成被動(dòng)聲源定位 。對(duì)于大部分基于波束形成的聲源定位系統(tǒng),其實(shí)現(xiàn)流程一般都有如下所示的幾個(gè)步驟:聲源定位流程在聲源定位流程中,計(jì)算出陣列的波束圖之后,一般還有兩步:1)尋找波束峰值——也就是搜尋主瓣的峰值,因?yàn)橹靼辏ㄗ罡叩男∩椒澹┓逯荡藭r(shí)對(duì)應(yīng)的空間角度是聲源的方向,可以從而獲得聲源方向信息 。
2)空間位置映射——計(jì)算出來(lái)聲源方向后,根據(jù)陣列的已知位置信息進(jìn)行空間映射即可計(jì)算出聲源的相對(duì)位置 ??梢钥闯觯麄€(gè)聲源定位的核心步驟是前兩步,因?yàn)橹靼晁鶎?duì)應(yīng)的空間角度的準(zhǔn)確性直接決定了聲源定位系統(tǒng)的精度 。正向我們前面所說(shuō)的,主瓣寬度越窄,相對(duì)旁瓣越高,此時(shí)定位的精度則越高,抗干擾性越強(qiáng) 。正是基于這個(gè)道理,我們常見(jiàn)的聲源定位系統(tǒng)的陣型一般都會(huì)選擇大孔徑的均勻陣,這是提升聲源定位系統(tǒng)精度最簡(jiǎn)單粗暴的方法,因?yàn)檫@樣合成的波束主瓣又高又窄 。
因此在常見(jiàn)的聲源定位系統(tǒng)中,主瓣寬度(3dB寬度)往往會(huì)被作為很重要的系統(tǒng)指標(biāo) 。下圖展示了日常生活中的幾種聲源定位系統(tǒng),可以看出這些系統(tǒng)大多采用簡(jiǎn)單粗暴的均勻線列陣或是平面陣,而且尺寸都比較大(潛艇的舷側(cè)陣聲吶可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十米) 。聲學(xué)相機(jī)——又名聲相(像)儀,是利用聲傳感器陣列測(cè)量一定范圍內(nèi)的聲場(chǎng)分布的專(zhuān)用設(shè)備 。
可用于測(cè)量物體發(fā)出的聲音的位置和聲音輻射的狀態(tài),將采集的聲音以彩色等高線圖譜的方式可視化呈現(xiàn)在屏幕上,有效的測(cè)量聲場(chǎng)分布,聲場(chǎng)圖與可見(jiàn)光的視頻圖像完美疊加,形成類(lèi)似于熱影像儀對(duì)物體溫度的探測(cè) 。這里我們主要講講目前國(guó)內(nèi)外主流的陣型——螺旋陣 。下圖是幾款聲學(xué)相機(jī)的外觀圖片,我們暫且以A/B/C命名:看完會(huì)發(fā)現(xiàn)這些聲學(xué)相機(jī)中間都有一個(gè)小型攝像機(jī)模組,但也有小伙伴可能會(huì)有疑問(wèn),A設(shè)備陣型明顯是螺旋陣,B、C看起來(lái)不像啊?是什么陣型呢?其實(shí)都是螺旋陣,只是采用了不同的設(shè)計(jì)參數(shù)產(chǎn)生的而已,看看下圖想必各位就一目了然了,下圖分別展示了A/B/C陣列的設(shè)計(jì)方式 。
圖中藍(lán)色的點(diǎn)是陣元的位置,可以看出三款聲學(xué)相機(jī)雖然外觀差異很大,但從陣型設(shè)計(jì)角度來(lái)看,仍然是完全遵循螺旋陣的設(shè)計(jì)規(guī)范的,只是所選的參數(shù)不同而已 。由此我們可以看出,以螺旋陣為代表的非均勻陣列,確實(shí)是目前絕大多數(shù)聲學(xué)相機(jī)廠家所選擇的設(shè)計(jì)規(guī)范,這也決定了聲學(xué)相機(jī)的外觀 。彩色等高圖譜這個(gè)詞聽(tīng)起來(lái)一定很耳熟吧,等高圖譜?沒(méi)錯(cuò),就是我們前幾篇所介紹的陣列采用波束形成技術(shù)計(jì)算的波束圖投影到二維平面上所形成的等高線圖 。
聲場(chǎng)圖與可見(jiàn)光的視頻圖像的完美疊加彩色等高圖譜是介紹出來(lái)了,可怎么和可見(jiàn)光的視頻圖像疊加呢?其實(shí)就是坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,把等高圖譜的每一個(gè)方位點(diǎn)與照片像素一一對(duì)應(yīng),并采用透明的畫(huà)法繪制上去就可以了 。這里我們?cè)敿?xì)拆分介紹下(具體的原理細(xì)節(jié)我們不做闡釋?zhuān)?,還是來(lái)點(diǎn)直觀的圖 。我們一般攝像機(jī)模組的成像區(qū)域是下圖所示:圖中的可視區(qū)域是矩形的,因?yàn)橐话愕溺R頭都采用矩形的光敏元器件(所以我們平常看的相機(jī)畫(huà)面,包括手機(jī)/攝像機(jī)的畫(huà)面,都是矩形的) 。

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